太陽能電池製備方法及太陽能電池的製作方法

2023-09-18 21:55:25

太陽能電池製備方法及太陽能電池的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種太陽能電池製備方法及太陽能電池。該太陽能電池製備方法包括擴散工藝，所述擴散工藝包括：S1.對預處理後的矽片進行第一次磷擴散，在其上形成N型區以及太陽能電池的PN結結構；S2.對經第一次擴散後的矽片進行第二次磷擴散，增加所述N型區表層的磷濃度。所述擴散工藝之後還包括：在680-720℃溫度下，進行1680-1800秒的熱處理工藝。本發明至少解決了現有技術中由於物理冶金法提純得到的多晶矽原始片電阻率較低，而與PN結擴散條件不匹配，造成的開路電壓、短路電流和轉換效率低的技術問題；同時也較好的解決了電池表面濃度與金屬-半導體接觸的匹配問題，即提升了歐姆接觸的整體性能，降低了電池串聯電阻。
【專利說明】太陽能電池製備方法及太陽能電池

【技術領域】
[0001] 本公開涉及光伏設備【技術領域】，尤其涉及一種太陽能電池製備方法及太陽能電 池。

【背景技術】
[0002] 太陽能是一種清潔能源，不產生任何的環境汙染。在太陽能的有效利用當中，大陽 能光伏利用是近些年來發展最快，最具活力的研究領域。為此，人們研製和開發了太陽能電 池。
[0003] 多晶矽片是形成晶體矽太陽能電池的主要載體，多晶矽片一般是由原料矽經過多 步提純後製片形成。多晶矽片經過去油工藝--去除損傷層--制絨--擴散工藝--周 邊刻蝕--去除氧化層--制氮化矽膜--絲網印刷背、正電極--燒結--測試分選等 製得太陽能電池。
[0004] 現有技術中，提純多晶矽的技術主要有化學法和物理冶金法。隨著光伏技術的不 斷更新發展，降低成本、提高效率及減少環境汙染等需求日益突出，研發低成本、高產能及 環保效益高的多晶矽提純技術成為重點。化學法提純多晶矽技術中，需要把多晶矽提純到 8N-10N以上的純度，再根據使用需要，對高純多晶矽熔融摻雜高純硼，這無疑增大了成本。 而物理冶金多晶矽提純技術，是用類似於金屬的冶煉方法提純多晶矽，此技術不需化學反 應，特點是產能大、成本低。
[0005] 近些年，很多相關技術廠商以及研發機構都致力於研發物理冶金多晶矽提純技 術，使得此項技術得到了進一步改善。例如，目前使用物理冶金提純技術提純的多晶矽，純 度已達到6. ON-6. 5N級，已有企業開始小規模生產。而基於物理冶金法的多晶矽太陽能電 池也將隨著材料質量不斷提高，具有廣闊的發展潛力和極具競爭力的市場前景。然而，現有 技術中，在製備基於物理冶金法的多晶矽太陽能電池工藝中，仍存在很多有待改進之處。例 如：
[0006] (1)在物理冶金法提純多晶矽技術中，主要目的之一是把材料中的基硼降低到所 需的純度。但因為去除基硼的技術難度較大，所以導致物理冶金法提純得到的多晶矽中硼 含量略高，因此電阻率低於化學法提純得到的多晶矽。例如，一般國內通過物理冶金法提 純得到的多晶矽材料的電阻率為〇. 8-1. 5Ω · cm，明顯低於化學法提純得到的多晶矽材料 1. 8-2. 4Ω · cm的電阻率。
[0007] 這樣，如果將現有技術中基於化學法的多晶矽太陽能電池的擴散工藝應用於製作 基於物理冶金法的多晶矽太陽能電池的工藝中，則會出現摻雜濃度與多晶矽原始片的電阻 率明顯不匹配的問題，由此導致PN結特性較差，太陽能電池的開路電壓和短路電流都較 低。
[0008] (2)為了解決太陽能電池高濃度擴散引起的電池表面"死層"效應，近幾年，在製作 太陽能電池的擴散工藝中，不斷的降低表面薄層的擴散濃度；這樣則造成擴散層的薄層電 阻（方塊電阻）不斷增大。例如，2010年擴散層方塊電阻多為55 Ω/□，目前擴散層方塊電 阻已增加到95-100 Ω / □。隨著擴散層電阻的不斷增大，直接造成矽與銀電極歐姆接觸的 整體性能變差；而此歐姆接觸可能會有較大成分的整流接觸，因此會引起太陽能電池的轉 換效率下降。
[0009] (3)為提高物理冶金法提純得到的多晶矽原始片的少子壽命，製作太陽能電池前 會對矽片進行約950°C的高溫磷吸雜處理，但是這樣會在晶體矽體內產生大量的位錯；在 830°C的較高溫度擴散，也會導致新的缺陷。這些都會嚴重影響到基於物理冶金法的多晶矽 太陽能電池的整體性能。


【發明內容】

[0010] 針對現有技術中的部分或者全部問題，本公開提供一種太陽能電池製備方法用於 提升製備的太陽能電池的性能；進一步的，本公開還提供了一種通過該太陽能電池製備方 法製備的太陽能電池。
[0011] 本公開的其他特性和優點將通過下面的詳細描述變得顯然，或部分地通過本公開 的實踐而習得。
[0012] 根據本公開的一個方面，一種太陽能電池製備方法，包括擴散工藝；所述擴散工藝 包括：
[0013] S1.對預處理後的矽片進行第一次磷擴散，在其上形成N型區以及太陽能電池的 PN結結構；
[0014] S2.對經第一次擴散後的矽片進行第二次磷擴散，增加所述N型區表層的磷濃度。
[0015] 在本公開的一個實施例中，所述第一次磷擴散包括：
[0016] S1L在750-850°C溫度下，進行580-620秒的恆定源磷擴散；
[0017] S12.將所述步驟S11中溫度升高20-30°C後，進行580-620秒的限定源磷擴散。
[0018] 在本公開的一個實施例中，所述步驟S11中恆定源磷擴散在以下氣氛中進行：
[0019] 小氮流量：1180_1250ml/min ;
[0020] 大氮流量：25000-27000ml/min ;
[0021] 氧氣流量：950-1050ml/min。
[0022] 在本公開的一個實施例中，所述步驟S12中限定源磷擴散在以下氣氛中進行：
[0023] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0024] 在本公開的一個實施例中，所述第二次磷擴散包括：
[0025] S2L在820-830°C溫度下，進行700-760秒的恆定源磷擴散。
[0026] 在本公開的一個實施例中，所述步驟S21中恆定源磷擴散在以下氣氛中進行：
[0027] 小氮流量：1220-1250ml/min
[0028] 大氮流量：25000-27000ml/min
[0029] 氧氣流量：1000-1050ml/min。
[0030] 在本公開的一個實施例中，所述步驟S21之後還包括：
[0031] S22 :進行280-300秒的降溫處理；所述降溫處理在以下氣氛中進行：
[0032] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0033] 在本公開的一個實施例中，所述擴散工藝之後還包括：
[0034] 在680-720°C溫度下，進行1680-1800秒的熱處理工藝。
[0035] 在本公開的一個實施例中，所述熱處理工藝在以下氣氛中進行：
[0036] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0037] 根據本公開的另一個方面，一種通過根據上述任意一種太陽能電池製備方法製備 的太陽能電池。
[0038] 本公開的示例實施方式所提供的太陽能電池製備方法及太陽能電池，首先通過將 現有技術中的基於物理冶金法的多晶矽太陽電池的製備方法中單純的擴散工藝改成分第 一次擴散和第二次擴散兩次擴散，解決了現有技術中由於物理冶金法提純得到的多晶矽原 始片電阻率較低，而與PN結擴散條件不匹配，造成的開路電壓、短路電流和轉換效率低的 技術問題；同時也較好的解決了電池表面濃度與金屬-半導體接觸的匹配問題，即提升了 歐姆接觸的整體性能，降低了電池串聯電阻，為基於物理冶金法的多晶矽太陽電池的推廣 提供了有力的技術支持。此外，通過將擴散工藝與後續的熱處理工藝相結合，在擴散工藝結 束後，直接降溫對電池進行熱處理，解決了因高溫磷吸雜和擴散引起太陽能電池體內微結 構變差的問題，在一定程度上消除太陽能電池體內的部分缺陷，改善了太陽能電池的晶體 結構。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039] 通過參照附圖詳細描述其示例實施方式，本公開的上述和其它特徵及優點將變得 更加明顯。
[0040] 圖1是本公開示例實施方式中一種太陽能電池製備方法的流程示意圖；
[0041] 圖2A-2B是本公開示例實施方式中一種太陽能電池製備方法的工藝過程示意圖。
[0042] 附圖標記說明：
[0043] 10 :P 型矽片
[0044] 20 :PN 結結構
[0045] 31 :N 型區
[0046] 32 :N+ 層
[0047] 40 :銀電極
[0048] S1-S3 :步驟

【具體實施方式】
[0049] 現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形 式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本公開將 全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。在圖中相同的附 圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
[0050] 此外，所描述的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式結合在一個或更多實施 例中。在下面的描述中，提供許多具體細節從而給出對本公開的實施例的充分理解。然而， 本領域技術人員將意識到，可以實踐本公開的技術方案而沒有所述特定細節中的一個或更 多，或者可以採用其它的方法、材料、組元等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構或 者操作以避免模糊本公開的各方面。
[0051] 本示例實施方式中首先提供了一種太陽能電池製備方法。該太陽能電池製備方法 中，首先將現有技術中一次擴散工藝改成兩次擴散工藝的組合，從而更加適用於基於物理 冶金法的多晶矽太陽電池的製備。具體而言，如圖1中所示，本示例實施方式中，所述擴散 工藝包括：
[0052] S1.如圖2A中所示，對預處理後的矽片進行第一次磷擴散，在其上形成N型區31 以及太陽能電池的PN結結構20 ;本示例實施方式中，所述矽片優選為基於物理冶金法的多 晶矽。第一次擴散工藝的主要目的是形成基於物理冶金法的多晶矽太陽電池的PN結。例 如該步驟可以包括：
[0053] S11.對經過低溫退火、氧化處理等預處理工藝的P型矽片10在擴散爐中首先進行 恆定源擴散，恆定源磷擴散優選在750-850°C溫度下進行，持續時間約為580秒至620秒。 並且，經過發明人的多次實踐驗證，發現恆定源磷擴散在800°C溫度下進行，且持續時間為 600秒時，整體效果最佳。
[0054] S12.接著在所述步驟S11停源後，升高溫度，進行限定源擴散。例如，將所述步驟 S11中溫度升高20-30°C後，進行580秒至620秒的限定源磷擴散，形成N型區31以及太陽 能電池的PN結結構20。並且，經過發明人的多次實踐驗證，發現限定源磷擴散持續時間為 600秒時，整體效果最佳。
[0055] 為了解決太陽能電池高濃度擴散引起的電池表面"死層"效應，步驟S1中的擴散 濃度通常較低；這樣則造成擴散層的薄層電阻（方塊電阻）不斷增大；而隨著擴散層電阻 的不斷增大，則會造成矽與銀電極40歐姆接觸的整體性能變差。因此在本示例實施方式 中，在所述步驟S1之後還包括：
[0056] S2.如圖2B中所示，對經第一次擴散後的矽片進行第二次磷擴散，增加所述N型 區31表層的磷濃度，從而可以使得使電池表面與銀電極40形成良好金屬-半導體的歐姆 接觸，降低太陽能電池的串聯電阻，進而提升太陽能電池的轉換效率。具體而言，第二次磷 擴散的溫度優選高於第一次磷擴散，而且優選加大磷源流量，如此就可以提高太陽能電池 N 型區31 (發射區）表層的磷濃度，使N型區31最上面薄層形成擴散濃度相對較高重摻雜N+ 層32且不影響PN結結構20實際的磷擴散濃度，從而部分彌補太陽能電池表面磷濃度低的 劣勢，在一定程度改善太陽能電池表面的歐姆接觸性能。例如該步驟可以包括：
[0057] S21.對經過步驟S1之後得到的矽片進行恆定源擴散。該恆定源磷擴散優選在 820-830°C溫度下進行，持續時間約為700秒至760秒。在步驟S2中，之所以進行短時間的 限定源擴散，是為了防止該步驟中擴散的磷過多深入步驟S1中形成的N型區31表層之下， 而大幅度改變步驟S1中磷擴散的濃度。
[0058] 由上可知，步驟S1和步驟S2中磷擴散的濃度、溫度均不同，從而既可以避免引起 太陽能電池表面"死層"效應，滿足擴散制結的要求，又可以降低表面擴散電阻，使得使太陽 能電池表面與銀電極40形成良好金屬-半導體的歐姆接觸。
[0059] 為改善高溫磷吸雜、擴散帶來的太陽能電池體內的新缺陷，解決其造成的太陽能 電池微結構變差的問題，本示例實施方式中還在擴散工藝之後增加了一定時間的熱處理工 藝，從而在一定程度上修復由於高溫磷吸雜、擴散造成太陽能電池微結構變差的問題，同時 也可以降低因高溫引起電池片翹曲和隱裂的機率。具體而言，在擴散工藝之後的熱處理工 藝可以包括：
[0060] S3.在680-720°C溫度下，進行1680-1800秒的熱處理工藝。並且，經過發明人的 多次實踐驗證，發現該熱處理工藝持續時間為1800秒時，整體效果最佳。
[0061] 此外，太陽能電池的光衰減與太陽能電池體內氧濃度有密切的關係，氧濃度高會 造成太陽能電池的光衰減增大，所以要儘量降低太陽能電池的體內的氧含量；而在整個太 陽能電池製作過程中，擴散工藝通氧最多。因此，本示例實施方式中，為了降低太陽能電池 的光衰減，需要特別注意在擴散工藝中保證擴散質量的前提下，降低氧氣流量；而且，在熱 處理工藝過程則優選不通氧氣，只通一定量的氮氣。
[0062] 舉例而言，本示例實施方式中，各步驟中的工藝條件參數可以如下：
[0063] 所述步驟S11 (恆定源磷擴散）中工藝條件參數可以為：
[0064] 磷源：高純液態三氯氧磷（PC103);
[0065] 時間：600 秒；
[0066] 溫度：800°C ;
[0067] 小氮（攜帶液態磷源）流量：1180-1250ml/min (可根據矽片的電阻率調整）；
[0068] 大氮流量：25000-27000ml/min (可根據源瓶的磷源量微調）；
[0069] 氧氣流量：950-1050ml/min(可根據通磷源量微調）。
[0070] 所述步驟S12(限定源磷擴散）中工藝條件參數可以為：
[0071] 時間：600 秒；
[0072] 石英管內各溫區的溫度：爐口 842-846°C、溫區二829-832°C、溫區三820-824°C、 溫區四 820-822°C、爐尾 822-830°C ;
[0073] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0074] 所述步驟S21 (恆定源磷擴散）中工藝條件參數可以為：
[0075] 時間：700-760 秒；
[0076] 石英管內各溫區的溫度：爐口 842-846°C，溫區二829-832°C，溫區三820-824°C， 溫區四820-822°C，爐尾822-830°C (不同擴散爐管可微調）；
[0077] 小氮（攜帶液態磷源）流量：1220_1250ml/min ;
[0078] 大氮流量：25000-27000ml/min ;
[0079] 氧氣流量：1000-1050ml/min。
[0080] 在本公開的一個實施例中，所述步驟S21之後還可以包括：
[0081] S22 :進行280-300秒的降溫處理；所述步驟S12中工藝條件參數可以為：
[0082] 各溫區的溫度：爐口 832-836°C、溫區二819-822°C、溫區三810-814°C、溫區四 810-812°C、爐尾 812-820°C ;
[0083] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0084] 在擴散工藝之後的所述熱處理工藝的工藝條件參數可以為：
[0085] 溫度：680-700 ? ;
[0086] 大氮流量：20000-22000ml/min。
[0087] 最後，分別用RTS-4型四探針測試儀和WT-1200型少子壽命測試儀測試對得到的 太陽能電池進行測試，得到的測試結果如下：
[0088] 擴散後平均薄層電阻：78-85 Ω /□;
[0089] 平均少子壽命：4· 886-5. 310 μ s。
[0090] 將本不例實施方式中的太陽能電池製備方法應用於規格為156*156mm的基於物 理冶金法的多晶矽太陽電池的小規模生產中，得到的產品測試結果表明：太陽能電池的開 路電壓（Uoc)平均提高3-7mV，短路電流（Isc)平均提高100-200mA，串聯電阻（Rs)平均降 低0· 6πιΩ，轉換效率平均值（η)從17. 01%提高至17. 40%以上，光衰減可降低到0· 1% (標準光衰條件，連續光照72小時）。
[0091] 可以看出，通過本示例實施方式中的太陽能電池製備方法製備的太陽能電池的性 能明顯得到改善。因此，本示例實施方式中還提供了一種通過根據上述任意一種太陽能電 池製備方法製備的太陽能電池。
[0092] 綜上所述，本發明中的太陽能電池製備方法及通過該方法製備的太陽能電池中主 要將現有技術中的基於物理冶金法的多晶矽太陽電池的製備方法中單純的擴散工藝改成 分第一次擴散和第二次擴散兩次擴散，又與後續的熱處理工藝相結合。採用本發明中方法 製作的基於物理冶金法的多晶矽太陽電池的性能明顯得到改善。例如：
[0093] 1)太陽能電池的開路電壓（平均值）從現有的0· 625-0. 630V提高到 0· 630-0. 633V，短路電流（平均值）從原來的8. 18-8. 30Α提高到8. 35-8. 44Α。
[0094] 2)具有良好的歐姆接觸擴散：燒結後太陽能電池的平均串聯電阻從原來的 3. 0-3. 3m Ω 降低到 2. 4-2. 7m Ω。
[0095] 3)降低了太陽能電池的光衰減：整個擴散過程的氧氣量，通氧量都較低；因此太 陽能電池體內的氧濃度較低，所以電池片的光衰減可降到0. 1%。
[0096] 4)通過最後的低溫熱處理工藝，改善了由於高溫等原因引起的太陽能電池晶體結 構變差的情況。
[0097] 本公開已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本公開的範例。 必需指出的是，已揭露的實施例並未限制本公開的範圍。相反地，在不脫離本公開的精神和 範圍內所作的更動與潤飾，均屬本公開的專利保護範圍。
【權利要求】
1. 一種太陽能電池製備方法，包括擴散工藝；其特徵在於，所述擴散 工藝包括：
51. 對預處理後的矽片進行第一次磷擴散，在其上形成N型區以及太陽能電池的PN結 結構；
52. 對經第一次擴散後的矽片進行第二次磷擴散，增加所述N型區表層的磷濃度。
2. 根據權利要求1所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述第一次磷擴散包括：
511. 在750-850°C溫度下，進行580-620秒的恆定源磷擴散；
512. 將所述步驟S11中溫度升高20-30°C後，進行580-620秒的限定源磷擴散。
3. 根據權利要求2所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述步驟S11中恆定源磷 擴散在以下氣氛中進行： 小氮流量：1180-1250ml/min ; 大氮流量：25000-27000ml/min ; 氧氣流量：950-1050ml/min。
4. 根據權利要求2所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述步驟S12中限定源磷 擴散在以下氣氛中進行： 大氮流量：20000-22000ml/min。
5. 根據權利要求1所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述第二次磷擴散包括： S21.在820-830°C溫度下，進行700-760秒的恆定源磷擴散。
6. 根據權利要求5所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述步驟S21中恆定源磷 擴散在以下氣氛中進行： 小氮流量：1220-1250ml/min 大氮流量：25000-27000ml/min 氧氣流量：1000_1050ml/min。
7. 根據權利要求5所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述步驟S21之後還包 括： S22 :進行280-300秒的降溫處理；所述降溫處理在以下氣氛中進行： 大氮流量：20000-22000ml/min。
8. 根據權利要求1所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述擴散工藝之後還包 括： 在680-720°C溫度下，進行1680-1800秒的熱處理工藝。
9. 根據權利要求8所述的太陽能電池製備方法，其特徵在於，所述熱處理工藝在以下 氣氛中進行： 大氮流量：20000-22000ml/min。
10. -種通過根據權利要求1-9任意一項所述的太陽能電池製備方法製備的太陽能電 池。
【文檔編號】H01L31/18GK104157736SQ201410403111
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】和江變, 郭凱華, 郭永強, 倪明鏡, 段敏, 李健 申請人:內蒙古日月太陽能科技有限責任公司, 內蒙古大學